eng
Выпуск #7/2004
В.Кочемасов, В.Голубков, Л.Новиков, А.Черкашин.
Синтезатор ЛЧМ-сигналов с оперативным изменением параметров модуляции.
Синтезатор ЛЧМ-сигналов с оперативным изменением параметров модуляции.
Просмотры: 4303
Синтезаторы частот и сигналов – важнейшие составные части современных радиотехнических систем. С их помощью формируются различные сложные сигналы, в том числе с линейной и нелинейной частотной модуляцией (ЛЧМ и НЧМ). Эти сигналы применяются в радио- и гидролокации для обнаружения целей и измерения их параметров, для локационного изучения планет, ионосферного зондирования и т.п. Разнообразие систем определяет и разнообразие требований к параметрам формируемых сигналов: начальной частоте, девиации, скорости ЧМ, их длительности, периоду повторения и т.п. Во многих случаях необходимо формировать несколько сигналов или изменять параметры модуляции в течение действия сигнала. Все это и позволяют выполнять синтезаторы сигналов.
Структуры построения синтезаторов определяются требованиями к их параметрам и методами формирования ЛЧМ-сигналов. Среди возможных технических решений можно выделить следующие:
· многоуровневые цифровые вычислительные синтезаторы (ЦВС) [1];
· двухуровневые ЦВС с компенсацией фазовых ошибок [2];
· ЦВС с коммутацией отсчетов (ЦВС с КО) [3];
· ЦВС с однополосным переносом (ЦВС с ОП);
· синтезаторы на основе дробных ФАПЧ с компенсацией помех дробности (комбинированные вычислительные синтезаторы частоты, КВС) [4].
Эти решения были использованы в широкой номенклатуре синтезаторов, созданных на отечественной элементной базе в лаборатории "Синтезаторы сложных прецизионных сигналов" (ССПС) Московского технического университета связи и информатики (МТУСИ) в 80-х годах прошлого столетия (табл.1).
Современная элементная база открывает новые возможности для построения синтезаторов сигналов. Рассмотрим один из таких синтезаторов, разработанных в МТУСИ. Он имеет следующие основные технические характеристики:
Диапазон частот 370–450 МГц
Девиация ЛЧМ-сигнала Ј50 МГц
Разрешение по частоте 10-6 Гц
Разрешение по скорости ЧМ ~10-6 Гц/c
Среднеквадратическая фазовая ошибка не более 2 град
Уровень фазовых шумов в выходном сигнале -150 дБc/Гц при отстройке более
500 кГц от несущей частоты
Уровень паразитных составляющих в спектре выходного сигнала менее -45 дБ
Основной режим работы синтезатора – циклическое повторение интервалов формирования ЛЧМ-сигнала (рис.1). Диапазоны изменения временных интервалов имеют следующие значения: t1 = [1·10-6...1] с; Тлчм1 = [50·10-6...1] с; t2 = [0...1] с; Тлчм2 = [0,Тлчм1] с. Во всех временных интервалах шаг установки равен 0,5·10-6 с. Кроме циклического режима возможен режим пачки. При этом Тп = Тц·N, где Тц – длительность цикла, N = 1,2,…100. Управляет синтезатором внешний компьютер по интерфейсу RS232.
Помимо формирования ЛЧМ-сигналов синтезатор вырабатывает сигналы синхронизации и дополнительные немодулированные высокочастотные колебания опорной и ряда промежуточных частот.
В состав синтезатора (рис.2а) входят однотипные блоки формирования несущего, гетеродинного и контрольного ЛЧМ-сигналов, блоки опорных и промежуточных частот, а также общий микроконтроллер.
С учетом требований к качеству ЛЧМ-сигнала и относительно небольшой девиации частоты, каждый из блоков формирования сигналов реализуется на основе ЦВС и квадратурного модулятора (рис.2б). В качестве ЦВС можно использовать одну из БИС фирмы Analog Devices – лидера на рынке подобных изделий (табл.2). Широкие возможности программного управления частотой, фазой и амплитудой выходного колебания этих микросхем позволяют применять их в блоках формирования ЛЧМ-сигнала и колебаний промежуточных частот. Сформированный квадратурный ЛЧМ-видеосигнал переносится по частоте на величину Fг сигнала локального синхронизированного генератора, выполненного на основе системы ФАПЧ, а затем усиливается.
Большую роль в работе блоков формирования сигналов играет устройство управления ЦВС. В разработанном синтезаторе оно реализовано на ПЛИС и выполняет следующие функции: формирование требуемых временных интервалов работы синтезатора (синхронизация); создание общего адресного пространства устройства; загрузка в регистры ЦВС в заданное время необходимых данных; формирование вспомогательных сигналов, необходимых для работы синтезатора. Применение ПЛИС позволило резко сократить число используемых микросхем в сравнении с системой на основе стандартной логики, не ухудшив при этом необходимое быстродействие управления ЦВС.
Основные выходные сигналы синтезатора вырабатывают блоки формирования несущей частоты и гетеродина. Диапазон выходных частот блока формирования гетеродинного ЛЧМ-сигнала сдвинут вниз относительно диапазона выходных частот блока форми-рования несущего колебания на значение промежуточной частоты.
Блок формирования контрольного ЛЧМ-сигнала предназначен для получения вспомогательного колебания F'в, используемого при измерении фазовых шумов и для оценки точности реализации закона ЛЧМ на несущей или гетеродинной частотах. Система управления этим блоком построена так, что он может работать синхронно либо с каналом несущей частоты, либо с каналом гетеродина. Блок промежуточных частот вырабатывает ряд колебаний с частотой Fпч.
Блок опорных частот предназначен для получения сетки частот, необходимых для работы синтезатора и генерации частоты синхронизации внешних устройств. Предусмотрена возможность автоподстройки частоты колебаний опорных частот петлей ФАПЧ под внешнее высокостабильное колебание. В блок входит ЦВС, используемый в кольце ФАПЧ в качестве делителя с дробным переменным коэффициентом деления. Такая структура блока опорных частот позволяет снизить фазовые шумы, вносимые петлей ФАПЧ, за счет уменьшения коэффициента деления в петле, а также легко перенастраивать блок под любое новое значение тактовой частоты и подстраивать значение этой частоты в пределах тысячных долей герца для более точной реализации закона ЛЧМ.
Все узлы синтезатора работают под управлением контроллера, обеспечивающего прием и передачу команд компьютеру, загрузку данных в регистры ПЛИС в соответствующие моменты времени и контроль состояния различных узлов синтезатора.
Благодаря большой функциональной насыщенности современных специализированных СБИС, а также возможности построения систем управления на ПЛИС удалось унифицировать часть узлов, входящих в блоки синтезатора, что привело к сокращению номенклатуры компонентов, применяемых при построении устройства.
Синтезатор ЛЧМ-сигналов собран в конструктиве "Евромеханика 19". Все блоки, за исключением блока формирования опорных частот, смонтированы в одинаковых кассетах и объединены общей кроссплатой.
Для оперативного управления синтезатором разработано программное обеспечение, позволяющее быстро изменять параметры всех блоков и режимов работы устройства в соответствии с требуемыми значениями. Рабочие настройки синтезатора хранятся в файле и считываются из него. Оболочка программы представляет собой окно с несколькими вкладками, между которыми распределены функции управления. В одной из них (рис.3) задаются параметры синтезатора в целом: устанавливаются режимы его работы, значения частот, включается режим привязки к внешней опорной частоте и т.п.
Источники ошибок формирования сигнала в системе: ЦВС, непосредственно формирующий ЛЧМ-сигнал; квадратурный модулятор – переносчик сигнала ЦВС в ВЧ-область; тракты усиления и фильтрации сигнала. Для контроля качества формируемых ЛЧМ-сигналов разработано специальное устройство, позволяющее не только оценивать качество формирования сигналов в синтезаторе, но и контролировать сигналы во внешнем радиочастотном тракте. Ошибки формирования сигналов оцениваются по характеру и значению отклонения формируемых законов от заданных в результате измерения разности фаз опорного и разностных сигналов (Fв–F'в), (Fг–F'в) или опорного сигнала и сигнала внешнего тракта.
Накопленный опыт по разработке синтезаторов ЛЧМ- и НЧМ-сигналов позволяет строить устройства синтеза с полосой частот в несколько сотен мегагерц с оперативным изменением параметров модуляции.
Литература
1. Тирней Дж., Рейдер Ч., Голд Б. Цифровые синтезаторы частоты. – Зарубежная радиоэлектроника, 1972, №3, с.57–74.
2. Кочемасов В.Н., Фадеев А.Н. Цифровые вычислительные синтезаторы двухуровневых сигналов с компенсацией фазовых ошибок. – Радиотехника, 1982, №10, с.15–19.
3. Кочемасов В.Н., Раков И.А. Цифровые вычислительные синтезаторы на основе фазовращателя с коммутацией отсчетов. – Электросвязь, 1988, №2, с.56–60.
4. Кочемасов В.Н. Компенсация шумов дробности в синтезаторах ЧМ-сигналов с дробным делителем с переменным коэффициентом деления. – Электросвязь, 1984, №3, с.54–56.
· многоуровневые цифровые вычислительные синтезаторы (ЦВС) [1];
· двухуровневые ЦВС с компенсацией фазовых ошибок [2];
· ЦВС с коммутацией отсчетов (ЦВС с КО) [3];
· ЦВС с однополосным переносом (ЦВС с ОП);
· синтезаторы на основе дробных ФАПЧ с компенсацией помех дробности (комбинированные вычислительные синтезаторы частоты, КВС) [4].
Эти решения были использованы в широкой номенклатуре синтезаторов, созданных на отечественной элементной базе в лаборатории "Синтезаторы сложных прецизионных сигналов" (ССПС) Московского технического университета связи и информатики (МТУСИ) в 80-х годах прошлого столетия (табл.1).
Современная элементная база открывает новые возможности для построения синтезаторов сигналов. Рассмотрим один из таких синтезаторов, разработанных в МТУСИ. Он имеет следующие основные технические характеристики:
Диапазон частот 370–450 МГц
Девиация ЛЧМ-сигнала Ј50 МГц
Разрешение по частоте 10-6 Гц
Разрешение по скорости ЧМ ~10-6 Гц/c
Среднеквадратическая фазовая ошибка не более 2 град
Уровень фазовых шумов в выходном сигнале -150 дБc/Гц при отстройке более
500 кГц от несущей частоты
Уровень паразитных составляющих в спектре выходного сигнала менее -45 дБ
Основной режим работы синтезатора – циклическое повторение интервалов формирования ЛЧМ-сигнала (рис.1). Диапазоны изменения временных интервалов имеют следующие значения: t1 = [1·10-6...1] с; Тлчм1 = [50·10-6...1] с; t2 = [0...1] с; Тлчм2 = [0,Тлчм1] с. Во всех временных интервалах шаг установки равен 0,5·10-6 с. Кроме циклического режима возможен режим пачки. При этом Тп = Тц·N, где Тц – длительность цикла, N = 1,2,…100. Управляет синтезатором внешний компьютер по интерфейсу RS232.
Помимо формирования ЛЧМ-сигналов синтезатор вырабатывает сигналы синхронизации и дополнительные немодулированные высокочастотные колебания опорной и ряда промежуточных частот.
В состав синтезатора (рис.2а) входят однотипные блоки формирования несущего, гетеродинного и контрольного ЛЧМ-сигналов, блоки опорных и промежуточных частот, а также общий микроконтроллер.
С учетом требований к качеству ЛЧМ-сигнала и относительно небольшой девиации частоты, каждый из блоков формирования сигналов реализуется на основе ЦВС и квадратурного модулятора (рис.2б). В качестве ЦВС можно использовать одну из БИС фирмы Analog Devices – лидера на рынке подобных изделий (табл.2). Широкие возможности программного управления частотой, фазой и амплитудой выходного колебания этих микросхем позволяют применять их в блоках формирования ЛЧМ-сигнала и колебаний промежуточных частот. Сформированный квадратурный ЛЧМ-видеосигнал переносится по частоте на величину Fг сигнала локального синхронизированного генератора, выполненного на основе системы ФАПЧ, а затем усиливается.
Большую роль в работе блоков формирования сигналов играет устройство управления ЦВС. В разработанном синтезаторе оно реализовано на ПЛИС и выполняет следующие функции: формирование требуемых временных интервалов работы синтезатора (синхронизация); создание общего адресного пространства устройства; загрузка в регистры ЦВС в заданное время необходимых данных; формирование вспомогательных сигналов, необходимых для работы синтезатора. Применение ПЛИС позволило резко сократить число используемых микросхем в сравнении с системой на основе стандартной логики, не ухудшив при этом необходимое быстродействие управления ЦВС.
Основные выходные сигналы синтезатора вырабатывают блоки формирования несущей частоты и гетеродина. Диапазон выходных частот блока формирования гетеродинного ЛЧМ-сигнала сдвинут вниз относительно диапазона выходных частот блока форми-рования несущего колебания на значение промежуточной частоты.
Блок формирования контрольного ЛЧМ-сигнала предназначен для получения вспомогательного колебания F'в, используемого при измерении фазовых шумов и для оценки точности реализации закона ЛЧМ на несущей или гетеродинной частотах. Система управления этим блоком построена так, что он может работать синхронно либо с каналом несущей частоты, либо с каналом гетеродина. Блок промежуточных частот вырабатывает ряд колебаний с частотой Fпч.
Блок опорных частот предназначен для получения сетки частот, необходимых для работы синтезатора и генерации частоты синхронизации внешних устройств. Предусмотрена возможность автоподстройки частоты колебаний опорных частот петлей ФАПЧ под внешнее высокостабильное колебание. В блок входит ЦВС, используемый в кольце ФАПЧ в качестве делителя с дробным переменным коэффициентом деления. Такая структура блока опорных частот позволяет снизить фазовые шумы, вносимые петлей ФАПЧ, за счет уменьшения коэффициента деления в петле, а также легко перенастраивать блок под любое новое значение тактовой частоты и подстраивать значение этой частоты в пределах тысячных долей герца для более точной реализации закона ЛЧМ.
Все узлы синтезатора работают под управлением контроллера, обеспечивающего прием и передачу команд компьютеру, загрузку данных в регистры ПЛИС в соответствующие моменты времени и контроль состояния различных узлов синтезатора.
Благодаря большой функциональной насыщенности современных специализированных СБИС, а также возможности построения систем управления на ПЛИС удалось унифицировать часть узлов, входящих в блоки синтезатора, что привело к сокращению номенклатуры компонентов, применяемых при построении устройства.
Синтезатор ЛЧМ-сигналов собран в конструктиве "Евромеханика 19". Все блоки, за исключением блока формирования опорных частот, смонтированы в одинаковых кассетах и объединены общей кроссплатой.
Для оперативного управления синтезатором разработано программное обеспечение, позволяющее быстро изменять параметры всех блоков и режимов работы устройства в соответствии с требуемыми значениями. Рабочие настройки синтезатора хранятся в файле и считываются из него. Оболочка программы представляет собой окно с несколькими вкладками, между которыми распределены функции управления. В одной из них (рис.3) задаются параметры синтезатора в целом: устанавливаются режимы его работы, значения частот, включается режим привязки к внешней опорной частоте и т.п.
Источники ошибок формирования сигнала в системе: ЦВС, непосредственно формирующий ЛЧМ-сигнал; квадратурный модулятор – переносчик сигнала ЦВС в ВЧ-область; тракты усиления и фильтрации сигнала. Для контроля качества формируемых ЛЧМ-сигналов разработано специальное устройство, позволяющее не только оценивать качество формирования сигналов в синтезаторе, но и контролировать сигналы во внешнем радиочастотном тракте. Ошибки формирования сигналов оцениваются по характеру и значению отклонения формируемых законов от заданных в результате измерения разности фаз опорного и разностных сигналов (Fв–F'в), (Fг–F'в) или опорного сигнала и сигнала внешнего тракта.
Накопленный опыт по разработке синтезаторов ЛЧМ- и НЧМ-сигналов позволяет строить устройства синтеза с полосой частот в несколько сотен мегагерц с оперативным изменением параметров модуляции.
Литература
1. Тирней Дж., Рейдер Ч., Голд Б. Цифровые синтезаторы частоты. – Зарубежная радиоэлектроника, 1972, №3, с.57–74.
2. Кочемасов В.Н., Фадеев А.Н. Цифровые вычислительные синтезаторы двухуровневых сигналов с компенсацией фазовых ошибок. – Радиотехника, 1982, №10, с.15–19.
3. Кочемасов В.Н., Раков И.А. Цифровые вычислительные синтезаторы на основе фазовращателя с коммутацией отсчетов. – Электросвязь, 1988, №2, с.56–60.
4. Кочемасов В.Н. Компенсация шумов дробности в синтезаторах ЧМ-сигналов с дробным делителем с переменным коэффициентом деления. – Электросвязь, 1984, №3, с.54–56.
Отзывы читателей
